CN112691798B - 一种旋风分离器及其应用方法和一种流化床反应器 - Google Patents

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Abstract

一种旋风分离器及其应用方法和一种流化床反应器，所述的旋风分离器包括入口、分离筒、稳涡器、灰斗和排气芯管；所述的入口与所述的圆柱筒的顶部侧壁相通，所述的排气芯管的底部与圆柱筒连通，排气芯管的底部端面与入口的底部侧壁平齐，所述的分离筒的底部为排尘口，灰斗固定在分离筒的底部，分离筒的侧壁上设置有螺旋线排尘缝，所述的螺旋线排尘缝外设置排尘带，所述的排尘带与螺旋线排尘缝走向一致；在分离筒内排尘口附近设置稳涡器，所述的稳涡器为底部向上的无底板锥体。本发明提供的旋风分离器结构简单，操作稳定。将旋风分离器应用于含尘气体分离时，其除尘效率高，与现有的旋风分离器相比，压降基本相同。

Description

一种旋风分离器及其应用方法和一种流化床反应器
技术领域
本发明涉及含尘气体的离心分离与颗粒回收设备及其应用方法，更具体地说，涉及一种对含尘气体进行气固分离的旋风分离器及其应用方法。
背景技术
旋风分离器是一种利用高强度旋转气流的离心力场进行非均相分离的设备，因其具有结构简单、投资少、运行成本低等优点，广泛地应用于化工、食品、冶金、建材、环境等工业领域中。旋风分离器存在内部以高强度旋转的有势自由涡与有旋的强制涡组成的切向旋流，在径向对着轴心流动的汇流，在轴向的外层空间向下的下行流、内层空间向上的上行流的三种主流流动方式；同时在旋风分离器内还存在排气芯管短路流二次流、灰斗返气流、旋涡中心摆动等现象，这些现象引起了芯管短路流颗粒携带短路直接进入排气管排出，灰斗返气和旋涡中心摆动卷起分离到锥形筒排尘口及锥形筒侧壁上的颗粒进入旋转流场中，从而使旋风分离器的总体除尘效率下降。
本领域有大量研究证明旋风分离器内流场存在二次流和旋涡中心不稳定现象。
严超宇等.旋风分离器非稳态流场的简化分析[J].流体机械，2002，30(19-38)描述了旋风分离器在锥端排尘口附近的涡核中偏离旋风分离器的几何中心线作螺旋旋进运动从而引起流场速度的脉动的现象。
A.C.霍夫曼.旋风分离器—原理、设计和工程应用[M].化学工业出版社，2004:136-142描述了用适当的粉料和光学条件下,用频闪方法可观察到旋进涡核的运动和涡核向器壁附着的现象。通过调整频闪频率的大小,可观察到涡核尾部的向前或向后旋转、摆动和附着在分离器内壁上，再次卷起已分离到旋风分离器外壁的颗粒，从而造成旋风分离器的分离效率下降，同时也加速了涡核附着位置处的器壁磨损，有时在旋风分离器的排尘口附近出现侧壁磨穿的现象。
目前采用的稳定旋风分离器旋涡中心方法存在一定的缺陷，稳涡效果有限。
CN204469920U公开了一种装有稳涡器的直切向式旋风分离器，在旋风分离器的排尘口设置稳涡器，稳涡器包括一体成型且端面相对的两个圆锥体，其目的是稳定旋涡，将旋涡中心附着于该表面，防止尾涡摆动，减小脉动及返混夹带的颗粒碰撞到稳涡器，可实现二次分离，从而提高了旋风分离器的分离效率。由于稳涡器外表面是上下凸起的锥体，对旋风分离器内部摆动旋涡中心有一定的稳定作用，但是旋涡很难长时间附着在一个凸起的锥面上。
CN205182971U公开了一种反应釜式旋风分离器，流体切向从上部侧面进入反应釜内，在顶端设有排气管，在反应釜下端设有液体出口，液体出口上端设有稳涡板，这种结构主要应用于气液分离，对于捕集含尘气而言，此结构的除尘效率有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在现有技术的基础上，提供一种气固分离稳定，分离效率高的的旋风分离器及其应用方法。
本发明提供的旋风分离器，包括入口、分离筒、稳涡器、灰斗和排气芯管；所述的分离筒由端部相通的圆柱筒和锥形筒，所述的入口的横截面为矩形，所述的排气芯管的底部与圆柱筒连通，排气芯管的底部端面与入口的底部侧壁平齐，所述的锥形筒的底部为排尘口，灰斗固定在锥形筒的底部，并与锥形筒的底部相通，在所述的分离筒的侧壁上设置螺旋线排尘缝和排尘带，延伸至灰斗；在锥形筒内排尘口附近设置稳涡器，所述的稳涡器为底部向上的无底板锥体。
本发明提供的旋风分离器的应用方法，含尘气体通过管路输送到旋风分离器的入口，由入口将含尘气体导入到分离筒内，气体在分离筒的内部空间形成高强度的旋转气流，气体中绝大部分颗粒在此离心力场的作用下被分离到旋风分离器的内壁上，分离到内壁上大部分颗粒经分离筒侧壁上的螺旋线排尘缝排入到排尘带中，再滑落到灰斗中；其余的颗粒沿分离筒侧壁向分离筒底部移动，从排尘口排到灰斗中；在锥形筒排尘口附近设置稳涡器，为旋风分离器内部空间旋转气流旋涡中心提供附着面，减少旋涡在下部排尘口摆动现象。
本发明提供的流化床反应器，反应器壳体内下部为颗粒密相区，上部为颗粒稀相区，所述的颗粒稀相区两级串联设置上述的旋风分离器，其中，所述的第一级旋风分离器的灰斗口连接排料管，延伸到所述的颗粒密相区，第一级旋风分离器的排气芯管连接第二级旋风分离器的入口，第二级旋风分离器的灰斗口排料管设置翼阀，第二级旋风分离器的排气芯管引出反应器外进入后续反应气回收系统。
本发明提供的旋风分离器及其应用方法的有益效果为：
本发明提供的旋风分离器结构简单，操作稳定，除尘效率高。在分离筒侧壁上设置螺旋线排尘缝和排尘带和在排尘口附近设置稳涡器。在使用过程中可将分离到分离筒侧壁上的粉尘颗粒及时排入排尘带里，进一步排入旋风分离器的灰斗；稳涡器用于稳定旋风分离器内部的旋涡中心，消除了旋涡在锥形筒排尘口附近旋转摆动现象，同时也减少了进入灰斗气量，降低了气体返回锥形筒时将排尘口的排尘再次卷扬起，从而减少二次粉尘夹带，提高了旋风分离器的捕集效率。
附图说明：
图1为本发明提供的旋风分离器的立面剖视图。
图2为图1中A-A向视图。
图3为本发明旋风分离器经过轴心平面所截的排尘螺带截面图。
图4为稳涡器局部视图。
其中：
1-入口；2-圆柱筒；3-锥形筒；4-灰斗；5-排气芯管；6-螺旋线排尘缝；7-排尘带；71-排尘带下底板；72-排尘带外侧板；73-排尘带的上底板；8-稳涡器。
具体实施方式
以下详细说明本发明提供的旋风分离器及其应用方法的具体实施方式。
本发明提供的旋风分离器，包括入口、分离筒、稳涡器、灰斗和排气芯管；所述的分离筒由端部相通的圆柱筒和锥形筒，所述的入口的横截面为矩形，入口的一侧壁与圆柱筒的侧壁相切设置，所述的排气芯管的底部与圆柱筒连通，排气芯管的底部端面与入口的底部侧壁平齐，所述的锥形筒的底部为排尘口，灰斗固定在锥形筒的底部，并与锥形筒的底部相通，在所述的分离筒的侧壁上设置螺旋线排尘缝和排尘带，延伸至灰斗；在锥形筒内排尘口附近设置稳涡器，所述的稳涡器为底部向上的无底板锥体。
优选地，所述的螺旋线排尘缝设置于分离筒侧壁上，螺旋旋转方向与旋风分离器内的气流旋转方向一致，所述的螺旋线排尘缝起始端位于入口的下部平面以下位置，终止于锥形筒与灰斗相交处。更优选的起始端位于锥形筒侧壁上。
优选地，所述的螺旋线排尘缝外设置排尘带，所述的排尘带与螺旋线排尘缝走向一致，所述的排尘带位于分离筒外壁，由上表面、前侧面、后侧面、外表面、分离筒壁组成一个封闭螺旋带，其末端于灰斗相连通。用于将从螺旋线排尘缝排出的粉尘导入到旋风分离器的灰斗中。
优选地，所述的螺旋线排尘缝的开口宽度为1～50mm，更优选开口宽度为2～40mm。
优选地，所述的螺旋线排尘缝沿旋风分离器轴向的螺间距相等，在所述的分离筒侧壁上至少旋转1周，更优选旋转1.1～2周。
所述的排尘带设置于旋风分离器的分离筒的外壁，由上表面、外侧面、下表面组成，所述的排尘带的上表面、外侧面、下表面和分离筒外壁组成封闭螺旋带，其末端与灰斗相连通；用于收集从分离筒器壁上螺旋线排尘缝排出的粉尘，并将粉尘导入到灰斗中。
优选地，所述的排尘带与经过轴心平面截得为梯形平面，上下边平行；其截面面积为含尘颗粒质量输送率除以其10～50倍的堆密度；上下边的距离为0.5～1.5倍截面面积的平方根。
优选地，排尘带被经过轴心平面截得含螺旋线排尘缝分离筒侧壁的梯形平面，所述的螺旋线排尘缝的底边距排尘带梯形底边的距离为此梯形的高0.5倍以上，所述的螺旋线排尘缝的上端在梯形上平面以下。
优选地，所述的稳涡器安装在锥形筒底部的排尘口，所述的稳涡器与分离筒同轴设置，锥顶向下，锥底面朝上，为一无底板倒锥体。
优选地，所述的稳涡器的锥底面直径为其平面与锥形筒所截平面直径的0.6～0.8倍，锥底面在旋风分离器排尘口以上，锥底面距排尘口平面的高度为0.5～1.5倍排尘口直径。
所述的稳涡器的锥顶在排尘口以上或者以下位置，优选地，所述的稳涡器的锥顶角为60°～150°。
本发明提供的旋风分离器，所述的入口以90°～180°蜗壳方式导入到分离筒内，入口的左侧壁切进圆柱筒的侧壁。
本发明提供的旋风分离器的应用方法，含尘气体通过管路输送到旋风分离器的入口，由入口将含尘气体导入到分离筒内，气体在分离筒的内部空间形成高强度的旋转气流，气体中绝大部分颗粒在此离心力场的作用下被分离到旋风分离器的内壁上，分离到器壁上大部分颗粒经分离筒侧壁上的螺旋线排尘缝排入到排尘带中，再滑落到灰斗中；其余的颗粒沿分离筒侧壁向分离筒底部移动，从排尘口排到灰斗中；在锥形筒内排尘口附近设置稳涡器，为旋风分离器内部空间旋转气流旋涡中心提供附着面，减少旋涡在下部排尘口摆动现象。
本发明提供的旋风分离器中，所述的稳涡器为旋风分离器内部空间旋转气流旋涡中心提供附着面，稳定了内部空间旋转流场，减少了漩涡中心摆动和往还灰斗的气量及其所带起的排灰口的二次扬尘。
设置在旋风分离器的分离筒侧壁上的螺旋线排尘缝和排尘带将分离到旋风分离器壁上的粉尘及时排入粉尘收集到排尘带，由排尘带导入旋风分离器的灰斗中。
螺旋线排尘缝与排尘带与稳涡器共同作用，减少了旋涡中心摆动与往还灰斗的气量所引起的扬尘，减少了旋风分离器锥口的二次扬尘量，从而提高了旋风分离器的除尘效率。采用本发明的旋风分离器具有除尘效率高，旋风分离器的器壁磨损少，旋风分离器的压降不变化的优点。
本发明提供的流化床反应器，反应器壳体内下部为颗粒密相区，上部为颗粒稀相区，所述的颗粒稀相区两级串联设置上述任一种所述的旋风分离器，其中，所述的第一级旋风分离器的灰斗口连接排料管，延伸到所述的颗粒密相区，第一级旋风分离器的排气芯管连接第二级旋风分离器的入口，第二级旋风分离器的灰斗口排料管设置翼阀，第二级旋风分离器的排气芯管引出反应器外进入后续反应气回收系统。
以下结合附图进一步说明本发明提供的旋风分离器的结构及其应用方法。
附图1是本发明所提供的旋风分离器的立面剖视图。旋风分离器由入口1、圆柱筒2、锥形筒3、灰斗4、排气芯管5组成，其中，圆柱筒2和锥形筒3上下连接，共同组成分离筒，在圆柱筒2、锥形筒3上设置螺旋线排尘缝6，起始端位于锥形筒3的顶端，延伸至所述的锥形筒3与灰斗4的相连处，可将分离到旋风分离器分离筒侧壁上的粉尘及时排入排尘带7里；锥形筒6底部为圆形的排尘口，在排尘口附近设置稳涡器8，所述的稳涡器为底面朝上的倒锥体结构。所述的稳涡器8用于稳定旋风分离器内部的旋涡中心，消除了旋涡在锥形筒排尘口附近旋转摆动的现象，同时也减少了进入灰斗气量，降低了气体返回锥形筒时将排尘口的排尘再次卷扬起，引起粉尘的二次携带。
附图2是图1截面A-A向视图，所截面为垂直于中心线的、含入口进风管某处向下视图，展示本旋风分离器的入口1、螺旋线排尘缝6、排尘带7、稳涡器8的结构。如附图2所示，旋风分离器的入口1为方形入口，但不限于切向入口，本发明的旋风分离器同样包括导向叶片式入口的旋风分离器；优选地，当采用切向方形入口时，入口高度a、宽度b，入口进风管由蜗壳结构导入旋风分离器分离筒内，其中，蜗壳角度为90°～270°，优选180°，方形入口可切进圆柱筒2内壁(0～1/3)入口宽，即：C＝(0～1/3)b。
附图3是经过旋风分离器中心线截得排尘带7的局部视图，所述的排尘带设置在旋风分离器的分离筒侧壁上，包围住螺旋线排尘缝6，起始于排尘缝的起始端外延10～50mm，起始端面密封，终止于灰斗，并与灰斗相贯通，螺间距、螺旋方向与螺旋线排尘缝相同。螺旋线排尘缝高h＝1～50mm，优选2～45mm，最优选2～40mm。在此截面排尘带7的形状可以是梯形或平行四边形或矩形；排尘带7上底边73与下底边71相互平行，不要求垂直于旋风分离器的中心线，外侧边72不要求与圆柱筒母线、锥形筒母线平行；排尘带7截面面积为进入旋风分离器含尘气体中颗粒质量输送率除以其10～50倍的堆密度；排尘带7的高H为0.5～1.5倍截面面积的平方根；螺旋线排尘缝6底部距排尘带7的底边71的高度H1>H/2。
附图4为安装在旋风分离器锥形筒底部排尘口的稳涡器局部放大图，稳涡器8为一无锥底板倒立的圆锥，其中心与旋风分离器中心线重合，锥顶向下，锥底面朝上，锥顶距排尘口平面高度H2为0～0.8dc(旋风分离器排尘口直径)；稳涡器8的锥底面直径dm为其平面与旋风分离器锥形筒内表面所截平面直径dw的0.6～0.8倍，锥顶角为60°～150°。
以下的实施例将对本发明予以进一步说明，但本发明并不因此而受到限制。
实施例1
本实施例说明本发明提供的旋风分离器的分离效果。
旋风分离器的结构如附图1所示，其中入口进风管为切向180°蜗壳导入旋风分离器分离筒内，分离筒的上部为圆柱筒，下部为锥形筒，圆柱筒的直径为250mm，圆柱筒的高为350mm，锥形筒的高为520mm，锥形筒底部的排尘口直径为96mm，灰斗的直径为160，灰斗高为350mm，排气芯管设置于圆柱筒2的上部，直径为85mm，其底部距离圆柱筒顶部高度为120mm，入口的截面为长方形，高宽为120X66mm，在距圆柱筒下端1/3高处开螺旋线排尘缝，开口宽度为3mm，螺旋排尘缝外设置排尘带7，排尘带上下面与旋风分离器的中心线垂直，排尘带的外侧面与母线平行，其纵截面宽15mm，高12mm，所述的螺旋线排尘缝和排尘带在分离筒侧壁上分布2周；在排尘口设置稳涡器8，稳涡器的直径为80mm，锥顶角为120°。
含尘气体由入口将含尘气体导入到分离筒内，气体在分离筒的内部空间形成高强度的旋转气流，气体中绝大部分颗粒在此离心力场的作用下被分离到旋风分离器的内壁上，分离到器壁上大部分颗粒经分离筒侧壁上的螺旋线排尘缝排入到排尘带中，再滑落到灰斗中；其余的颗粒沿分离筒侧壁向分离筒底部移动，从排尘口排到灰斗中。其中：
旋风分离器入口气速：进入旋风分离器的气量/入口面积(a×b)；
含尘浓度：进入旋风分离器含尘气携带粉体总质量/气量；
除尘效率：旋风分离器分离下的粉体质量/进入旋风分离器含尘气携带粉体总质量。
用中位粒径为10μm、颗粒密度2750kg/m3的1250目滑石粉做分离试验，在入口气速18m/s、含尘浓度100g/m3时，旋风分离器除尘效率为98.7％，压降2750Pa。
对比例1
对比例1采用的旋风分离器由入口、分离筒、排气芯管和灰斗组成，其中分离筒由上部的圆柱筒和下部的锥形筒连接组成，各部件的结构和尺寸同实施例1，所不同的是不设有螺旋线排尘缝、排尘带，不设有稳涡器。
采用实施例1中的实验方法，用中位粒径为10μm、颗粒密度2750kg/m3的1250目滑石粉做分离试验，在入口气速18m/s、含尘浓度100g/m3时，旋风分离器除尘效率为96.3％，压降为2760Pa。
实施例2
采用附图1旋风分离器，其中入口进风管为切向180°蜗壳导入旋风分离器分离筒内，分离筒的上部为圆柱筒，下部为锥形筒，圆柱筒的直径为350mm，圆柱筒的高为440mm，锥形筒的高为630mm，锥形筒底部的排尘口直径为115mm，灰斗的直径为190，灰斗高为480mm，排气芯管设置于圆柱筒2的上部，直径为115mm，其底部距离圆柱筒顶部高度为150mm，入口的截面为长方形，高宽为165X90mm，在距圆柱筒下端1/3高处开螺旋线排尘缝，缝宽为4mm，螺旋排尘缝外设置排尘带7，排尘带上下面与旋风分离器的中心线垂直，排尘带的外侧面与母线平行，其纵截面宽24mm，高20mm，所述的螺旋线排尘缝和排尘带在分离筒侧壁上分布2周；在排尘口设置稳涡器8，稳涡器的直径为95mm，锥顶角为120°。
采用实施例1中的实验方法，用中位粒径为4.5μm、颗粒密度1350kg/m3的氧化铝粉做分离试验，在入口气速20m/s、含尘浓度100g/m3时，旋风分离器除尘效率为90.2％，压降2540Pa。
对比例1
对比例2采用的旋风分离器由入口、分离筒、排气芯管和灰斗组成，其中分离筒由上部的圆柱筒和下部的锥形筒连接组成，各部件的结构和尺寸同实施例2，所不同的是不设有螺旋线排尘缝、排尘带，不设有稳涡器。
采用对比例2的实验方法，用中位粒径为4.5μm、颗粒密度1350kg/m3的氧化铝粉做分离试验，在入口气速18m/s、含尘浓度100g/m3时，旋风分离器除尘效率为86.4％，压降2580Pa。
由结果可见，本发明提供的旋风分离器与现有技术的旋风分离器相比，除尘效率高，压降基本相同。

Claims (14)

1.一种旋风分离器，包括入口、分离筒、稳涡器、灰斗和排气芯管；所述的分离筒由端部相通的圆柱筒和锥形筒组成，所述的入口与所述的圆柱筒的顶部侧壁相通，所述的排气芯管的底部与圆柱筒连通，排气芯管的底部端面与入口的底部侧壁平齐，所述的锥形筒的底部为排尘口，灰斗固定在锥形筒的底部，并与锥形筒的底部相通，在所述的分离筒的侧壁上设置有螺旋线排尘缝，所述的螺旋线排尘缝外设置排尘带，所述的排尘带与螺旋线排尘缝走向一致，用于将从器壁排尘缝排出的粉尘导入到旋风分离器的灰斗中；在锥形筒内排尘口附近设置稳涡器，所述的稳涡器为底部向上的无底板锥体；所述的稳涡器的锥底面直径为其水平面与锥形筒所截平面直径的0.6～0.8倍，锥底面在旋风分离器排尘口以上，锥底面距排尘口平面的高度为0.5～1.5倍排尘口直径；所述的螺旋线排尘缝起始端位于锥形筒上，终止于锥形筒与灰斗相交处。
2.根据权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于，所述的入口的横截面为矩形，入口的一面侧壁与圆柱筒的侧壁相切设置。
3.根据权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于，所述的螺旋线排尘缝设置于分离筒侧壁上，螺旋线旋转方向与旋风分离器内的气流旋转方向一致，所述的螺旋线排尘缝终止于锥形筒与灰斗相交处。
4.根据权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于，所述的螺旋线排尘缝的开口宽度为1～50mm。
5.根据权利要求4所述的旋风分离器，其特征在于，所述的螺旋线排尘缝的开口宽度为2～40mm。
6.根据权利要求3所述的旋风分离器，其特征在于，所述的螺旋线排尘缝沿旋风分离器轴向的螺间距相等，在所述的分离筒侧壁上至少旋转1周。
7.根据权利要求6所述的旋风分离器，其特征在于，所述的螺旋线排尘缝在所述的分离筒侧壁上旋转1.1～2周。
8.根据权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于，所述的排尘带设置于旋风分离器的分离筒的外壁，由上表面、外侧面、下表面组成。
9.根据权利要求8所述的旋风分离器，其特征在于，所述的排尘带与经过中心线平面截得为梯形平面，上下边平行；其截面面积为含尘颗粒质量输送率除以其10～50倍的堆密度；上下边的距离为0.5～1.5倍截面面积的平方根。
10.根据权利要求9所述的旋风分离器，其特征在于，排尘带经过中心线平面截得的含螺旋线排尘缝分离筒侧壁的梯形平面，所述的螺旋线排尘缝的底边距排尘带梯形底边的距离为此梯形的高0.5倍以上，所述的螺旋线排尘缝的上端在梯形上平面以下。
11.根据权利要求1所述的旋风分离器，其特征在于，所述的稳涡器与分离筒同轴设置，锥顶向下，锥底面朝上，为一无底板倒锥体。
12.根据权利要求11所述的旋风分离器，其特征在于，所述的稳涡器的锥顶角为60°～150°。
13.一种旋风分离器的应用方法，采用权利要求1-12中任一种所述的旋风分离器，含尘气体通过管路输送到旋风分离器的入口，由入口将含尘气体导入到分离筒内，气体在分离筒的内部空间形成高强度的旋转气流，气体中绝大部分颗粒在此离心力场的作用下被分离到旋风分离器的内壁上，分离到器壁上大部分颗粒经分离筒侧壁上的螺旋线排尘缝排入到排尘带中，再滑落到灰斗中；其余的颗粒沿分离筒侧壁向分离筒底部移动，从排尘口排到灰斗中；在锥形筒排尘口附近设置稳涡器，为旋风分离器内部空间旋转气流旋涡中心提供附着面，减少旋涡在下部排尘口摆动现象。
14.一种流化床反应器，其特征在于，所述的流化床反应器壳体内下部为颗粒密相区，上部为颗粒稀相区，所述的颗粒稀相区两级串联设置权利要求1-12中任一种所述的旋风分离器，其中，第一级旋风分离器的灰斗口连接排料管，延伸到所述的颗粒密相区，第一级旋风分离器的排气芯管连接第二级旋风分离器的入口，第二级旋风分离器的灰斗口排料管设置翼阀，第二级旋风分离器的排气芯管引出反应器外。
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